전례 없는 수준의 소프트웨어-기반 인텔리전스와 최적화된 하드웨어, 애니-투-애니(Any-to-Any) 커넥티비티로 이뤄진 시스템들을 통해 임베디드 비전 및 IIoT(Industrial Internet of Things)의 새로운 미래가 펼쳐지고 있다. 지난 2월 독일 뉘른베르크에서 열린 임베디드 월드(Embedded World)에서 자일링스(Xilinx®)는 임베디드 비전 시스템 및 IIoT 개발을 지원하기 위해 자일링스 올 프로그래머블(Xilinx All Programmable) 디바이스를 기반으로 한 에코시스템을 확장, 강화한다고 밝혔다. 이 전시회에서 자일링스 및 에코시스템 파트너사들은 사용자들이 모든 종류의 스마트하고, 완벽히 차별화된 커넥티드 시스템을 보다 쉽게 개발할 수 있도록 해주는 에코시스템들을 선보였다. 

글/ 아론 버만(Aaron Behman), 비디오 및 비전 부문 기업전략 및 마케팅 디렉터
단 아이작스(Dan Isaacs), IIoT(Industrial IoT) 부문 기업전략 및 마케팅 디렉터

임베디드 월드 전시회에서 발표된 에코시스템은 자일링스가 지난 해에 달성한 3가지 이정표를 완성하는 것이었다. 2015년 3월 9일, 자일링스는 디자이너 커뮤니티들이 자일링스의 징크-7000(Zynq®-7000) SoC 개발을 C/C++로 프로그램할 수 있도록 해주는 SDSoC™ 개발 환경을 발표했다. 이 개발환경은 Verilog나 VHDL로 하드웨어를 변경하거나 내부를 구성하는데 익숙하지는 않지만, 자일링스 디바이스의 탁월한 와트당 성능을 활용하고자 하는 알고리즘 개발자들을 겨냥한 것이다. 또한 자일링스는 2015년 9월 30일, 징크 울트라스케일+(UltraScale+™) MPSoC의 선적이 시작됐음을 발표한 바 있다. 한편 자일링스는 2016년 2월 16일, 임베디드 비전 및 IIoT 분야를 위한 징크 기반 디자인을 지원하는 에코시스템을 확장, 강화한다고 발표했다.

산업용/임베디드 비전 및 IIoT에서 새롭게 부상하고 있는 주목할 만한 애플리케이션들은 산업, 과학, 의료, 프로 A/V, 컨수머, 항공우주, 방위, 자동차 마켓 분야에도 영향을 미치고 있다.

자일링스 올 프로그래머블 디바이스의 탁월한 성능과 와트당 성능을 활용할 수 없었던 가장 큰 장벽은 프로그래밍 모델이다. C/C++ 사용자는 CPU를 비롯해 최근에는 GPU의 코드 작성에 더 익숙하다. 자일링스의 소프트웨어로 정의되는(Software-Defined) 하드웨어를 위한 비바도(Vivado®) HLS(High-Level Synthesis)와 소프트웨어로 정의되는 시스템 개발을 위한 SDx™ 환경을 통해 더 많은 시스템 개발자들이 자일링스의 징크-7000 SoC 및 징크 울트라스케일+ MPSoC 제품군의 소프트웨어 정의 방식의 올 프로그래머블 디바이스를 이용할 수 있게 되었다. 자일링스는 또한 에코시스템을 확장함으로써 CPU나 GPU처럼 쉽게 사용할 수 있으면서도, 탁월한 성능 및 와트당 성능을 이용할 수 있는 솔루션을 만들어나가고 있다. 

임베디드 비전 및 IIoT 시스템을 위한 파이프라인은 많은 공통점을 가지고 있다. 모두 센싱 및 데이터 수집으로부터 시작된다. 임베디드 비전 시스템은 데이터를 이미지나 비디오 스트림 형태로 취득한다. IIoT 시스템을 위해 센싱된 데이터에는 비디오가 포함되어 있을 뿐만 아니라 가속, 진동, 음향/초음파, 화학, 가스, 전기/마그네틱, 플로우, 힘, 부하, 토크, 변형, 습도, 수분, 누설, 레벨, 머신 비전, 광학, 모션, 속도, 변위, 포지션, 유무, 근접, 압력, 온도 등과 같은 추가로 센싱된 다양한 파라미터들이 포함되어 있다. 


센서 융합의 필요성 증가
여러 임베디드 비전 및 IIoT 시스템은 여러 다른 종류의 센서 데이터들을 실행 가능한 정보로 처리 및 병합하거나 또는 센서 융합이 필요할 수 있다. 또한 임베디드 비전 시스템은 여러 비디오 스트림들을 보다 유용하고 쓸모있는 비디오 스트림으로 만들기 위해 이를 결합시킬 수도 있다. 예를 들어, 자동차 기반의 비전 시스템은 운전자에게 360도 2D 평면 또는 3D 비전을 제공하는 단일 버드 아이 뷰(Bird’s Eye View)를 생성하기 위해 4대, 5대, 6대 혹은 그 이상의 비디오 카메라에서 취득한 비디오 스트림을 결합시키곤 한다. 또한 비전 시스템은 로컬 디스플레이를 구동할 뿐만 아니라 추가적인 프로세싱 및 다른 비디오 스트림과의 조합이나 저장을 위해 로컬에서 처리된 비디오를 클라우드로 전송할 수도 있다. 

IIoT 시스템은 필요한 작업을 정의하기 위해 비디오와 추가로 센싱된 데이터를 조합할 수 있다. 예를 들어, SoC-e(System-on-Chip engineering)의 새로운 CPPS-Gate40 스마트 게이트웨이(Smart Gateway)는 로컬 고속 데이터 프로세싱과 함께 산업용 제어 시스템에 공통으로 사용되는 다양한 I/O 포트를 통합하고 있으며, HSR/PRP(High-Availability Seamless Redundancy/Parallel Redundancy Protocol)를 이용해 듀얼-리던던트(Dual-Redundant) 광 이더넷 링에 결과 데이터를 배치한다. IIoT 시스템의 특성을 정의하는 것은 클라우드 기반 프로세싱 및 의사 결정에 의존할 수 없는 고속, 실시간 제어를 위해 센싱된 데이터를 사용할 수 있도록 하는 것이다. 
물론 CPU나 GPU를 이용해 이러한 시스템을 설계할 수 있는 여러 다른 방법들도 있지만, 자일링스 징크-7000 SoC 및 징크 울트라스케일+ MPSoC는 차별화된 시스템을 설계하고자 하는 경우 여러 유의미한 혜택과 이점을 제공한다. 

1.    최고의 와트당 성능: 자일링스 올 프로그래머블 디바이스는 하드웨어 및 소프트웨어, I/O 프로그래머빌리티를 모두 겸비하고 있으며, 2-, 3-, 4-칩 디자인을 단일 칩으로 구현할 수 있어 시스템 성능을 극대화하면서도 전력소모를 낮출 수 있다. 
2.    센서 융합: 자일링스 올 프로그래머블 디바이스는 온도나 압력과 같은 낮은 비트 레이트의 데이터에서 동시적인 다중 HD(High-Definition) 및 SHD(Super-High-Definition)를 비롯한 높은 비트 레이트의 데이터에 이르기까지 여러 종류의 정보를 병합하고 처리할 수 있는 독보적인 기능을 제공한다. 
3.    애니-투-애니(Any-to-Any) 커넥티비티: 자일링스 징크-7000 SoC 및 징크 울트라스케일+ MPSoC의 프로그래머블 I/O는 여러 비디오 인터페이스 표준(MIPI, HDMI 등)을 비롯해 지능형 센서 인터페이스(I2C, SPI 등)에 이르기까지 거의 모든 센서 I/O 요건은 물론, 고속 A/D 컨버터(JESD204B 및 LVDS 포함)에 부합할 수 있는 탁월한 기능을 제공한다. 
4.    다중레벨 보안 및 다중레벨 안전성: 징크 울트라스케일+ MPSoC의 쿼드-코어 ARM® Cortex™-A53 애플리케이션 프로세서 및 듀얼-코어 ARM Cortex-R5 실시간 프로세서는 하드웨어 보안 기능을 갖추고 있어 보안 및 기능-안전(Functional-Safety) 프로토콜을 구현할 수 있는 독보적인 성능을 제공한다.
5.    카멜레온(Chameleon)같은 올 프로그래머블 플랫폼: 징크-7000 SoC 및 징크 울트라스케일+ MPSoC의 하드웨어 및 소프트웨어 프로세싱과 I/O 유연성은 재사용이 가능한 소프트웨어-정의 하드웨어 플랫폼을 구현할 수 있기 때문에 비용곡선의 상위 및 하위에 이르는 모든 최종 제품군을 컨피규레이션하고, 확장할 수 있으며, 다기능 제품라인을 통해 새로운 마켓으로 브랜드를 확장시킬 수도 있다. 

여기에서는 자일링스 징크 울트라스케일+ MPSoC를 활용해 각기 다른 마켓을 겨냥한 4가지의 카멜레온 올 프로그래머블 플랫폼 개발사례를 소개한다. 


사례 1: ADAS(Advanced Driver Assistance System)
ADAS(Advanced Driver Assistance System)는 제동 및 조향, 운전자 경보 등을 결정하기 위해 여러 비디오 카메라의 비디오 데이터와 관성항법이나 GPS 지도 데이터까지 부가적인 차량의 센서 데이터들을 통합한다. 그림 1의 블록도는 징크 울트라스케일+ MPSoC에 기반한 일반적인 ADAS 디자인을 보여주고 있다. 

그림 1에서 보는 것처럼, 이 디자인은 자일링스 징크 울트라스케일+ MPSoC의 쿼드-코어 ARM Cortex-A53 애플리케이션 프로세서와 듀얼-코어 ARM Cortex-R5 실시간 프로세서의 이종 프로세싱 처리능력을 활용하고 있다. 블록도 내의 5개의 적색 박스는 자일링스에서 직접 제공하고 있는 MIPI 비디오 인터페이스 IP를 나타낸 것이다. 6개의 청색 박스는 고속 IP 프로세싱 블록으로, 보행자 감지, 운전자 모니터링, 차선이탈 모니터링, 사각지대 감지, 센서 융합과 같은 하이-레벨 기능을 구현하는 다른 자일링스 에코시스템 회사로부터 제공되고 있다. 

여기에 나타낸 ADAS 시스템은 비디오 카메라를 위한 MIPI를 비롯해 모든 센서 인터페이스와 통신하기 위해 징크 울트라스케일+ MPSoC의 애니-투-애니(Any-to-Any) 커넥티비티의 장점을 충분히 활용하고 있다. 경쟁 업체들의 프로그램이 불가능한 디바이스는 부가적인 I/O 인터페이스와 프로토콜을 처리할 수 있는 I/O 칩을 추가하지 않고서는 새로운 센서 인터페이스에 쉽게 부합할 수 없다. 또한 징크 울트라스케일+ MPSoC의 탁월한 하드웨어 기반 비디오 프로세싱 성능은 경쟁업체들의 표준 디바이스에 비해 더 많은 비디오 채널을 처리할 수 있도록 해준다. 이러한 경쟁 디바이스들과 달리 징크 울트라스케일+ MPSoC는 여러 개의 비디오 스트림도 처리할 수 있다. 

징크 울트라스케일+ MPSoC의 I/O 유연성 및 프로세싱 파워 덕분에 센서나 외부 메모리를 제외하고는 MPSoC 외부에 필요한 하드웨어는 매우 적다. 이 시스템의 와트당 성능 수치는 선도적인 경쟁업체의 CPU-기반 실리콘을 이용하는 동급 시스템 대비 3배 더 뛰어나다. 

사례 2: 4K 비디오 감시장치
그림 2에 나타낸 4K 멀티채널, 멀티센서 비디오 감시 시스템에서 징크 울트라스케일+ MPSoC는 각기 다른 종류의 비디오 카메라 및 여러 센서들과 연결되어 있다. 이 블록도의 적색 박스는 비디오 카메라 및 디스플레이를 위한 MIPI-인터페이스와 다른 종류의 센서들을 연결하는 또 다른 I/O 인터페이스를 위한 자일링스의 인터페이스 IP를 나타낸다. 6개의 모든 청색 박스는 자일링스 에코시스템 업체들이 제공하는 프로세싱 IP이다. 2개의 적색/청색 박스는 자일링스 및 확장 에코시스템 업체들이 모두 제공하는 IP 블록을 나타낸다. 

이 카멜레온 올 프로그래머블 시스템의 와트당 성능 수치는 선도적인 경쟁업체들이 제공하는 CPU/DSP/GPU-기반 실리콘으로 설계된 동급 시스템 보다 약 5배 더 뛰어나다. ARM TrustZone® 기능과 이 디바이스의 하드웨어-기반 AES 암호화를 비롯한 징크 울트라스케일+ MPSoC의 안전 및 보안 기능은 이러한 보안 애플리케이션에서 특히 유용하다. 
사례 3: 스마트-그리드 변전소 자동화
3번째 사례는 스마트-그리드 디자인을 위한 변전소 자동화 시스템으로, 변전소 파라미터를 모니터링하는 여러 센싱 컴포넌트의 다중 이더넷 스트림을 처리하는 IIoT 애플리케이션이다. 이 카멜레온 올 프로그래머블 시스템 사례를 위한 시스템 블록도는 그림 3에서 확인할 수 있다. 

이 IIoT 시스템 사례의 핵심 기능은 표준화된 IEEE-1588 PTP(Precision Timing Protocol)와 IEC 62439 HSR/PRP를 사용하는 표준 산업용 이더넷 시스템 기반의 변전소에 설치된 수많은 인터페이스 유닛들과 연결하는 것이다. 이는 자일링스 에코시스템 업체인 SoC-e가 제공하는 IP를 사용하여 징크 울트라스케일+ MPSoC의 프로그래머블 로직으로 구성된 호환 가능한 산업용 이더넷 스위치를 통해 수행된다. 이 이더넷 스위치는 블록도의 대형 청색 박스에 나타내었다. 여러 센서 소스의 데이터는 자일링스 및 자일링스 에코시스템 업체들의 고속 IP 블록(블록도 상의 적색/청색 박스)에서 처리되거나, 성능 요건에 따라 징크 울트라스케일+ MPSoC의 6개의 ARM 프로세서 코어 중 하나 이상의 프로세서에서 프로세싱 알고리즘을 구동할 수 있다. 

이 시스템의 와트당 성능 수치는 경쟁업체들의 CPU/DSP 실리콘 기반의 동급 시스템보다 1.2배 정도 뛰어나며, 디자인에서 요구되는 칩의 수는 징크 울트라스케일+ MPSoC의 탁월한 프로그래머빌리티 및 프로세싱 성능과 뛰어난 I/O 유연성 덕분에 2:1 수준으로 더 적다. 당연히 보안 애플리케이션은 악의적인 공격으로부터 파워 그리드를 보호해야 하기 때문에 징크 울트라스케일+ MPSoC에 통합된 기능-안전 및 보안 기능은 이 애플리케이션에서 특히 유용하다.

사례 4: 산업 자동화 
마지막 카멜레온 올 프로그래머블 시스템 사례는 산업제어를 위한 것으로, 모션 컨트롤러와 PLC(Programmable Logic Controller), HMI(Human-Machine Interface) 시스템 형태로 구성될 수 있다. 이 IIoT 사례는 4개의 칩(CPU, 기능-안전 프로세서, 샤프트 인코더, 고속 파워변조 및 모터 제어를 위한 FPGA)이 요구되는 전체 시스템을 하나의 디바이스로 통합하기 위해 징크 울트라스케일+ MPSoC를 사용했으며, 이를 통해 와트당 성능은 30% 향상되었고, 시스템 PC 보드의 실제 공간은 상당히 감소되었다. 시스템 블록도는 그림 4에서 확인할 수 있다. 

다른 3가지 사례들처럼, 이 산업제어 시스템도 징크 울트라스케일+ MPSoC의 애니-투-애니(Any-to-Any) 커넥티비티와 통합 듀얼-코어 ARM Cortex-R5 프로세서의 록스텝(Lockstep) 기능에 내장된 기능-안전 성능을 통해 혜택을 얻을 수 있었다. 

에코시스템 현황
이러한 4가지 사례는 모두 자일링스와 에코시스템 회원사의 하드웨어 및 소프트웨어 IP를 충분히 사용하여 구현되었다. 이러한 IP는 보다 용이하게 첨단 지능형 시스템을 개발하고, 하나의 하드웨어 플랫폼을 기반으로 각 제품에 어떠한 IP를 사용할지 선택할 수 있는 카멜레온 플랫폼을 개발하는데 특히 필수적이다. 

자일링스 에코시스템 회원사들은 아래의 4가지 주요 범주에 해당하는 하드웨어 및 소프트웨어 IP를 제공한다:

1.    임베디드 비전 및 IIoT 애플리케이션을 위한 도메인별로 특화된 하드웨어 및 소프트웨어 IP와 더불어 다양한 실시간 운영 시스템
2.    여러 하이-레벨 디자인 툴을 비롯한 디자인 구현
3.    신속한 하드웨어 개발 및 증식을 위한 징크-7000 SoC 또는 징크 울트라스케일+ MPSoC 기반의 모듈, 평가보드, 생산 가능한 SOM(System-on-Module)
4.    디자인 서비스
 
모든 디자인 팀은 계속 증가하는 성능과 점점 더 복잡해지는 제품 기능으로 인해 수반되는 프로젝트 요건은 물론, 시간적인 압박에도 대처해야 한다. 이 모든 것을 신속하게 처리할 수 있는 디자인 팀은 없다. 자일링스는 새롭게 출시된 확장 에코시스템을 통해 제품 디자인 팀이 공격적인 프로젝트 일정 내에, 공격적인 사업목표를 보다 용이하게 달성할 수 있도록 지원하고 있다. 

자일링스의 강화된 확장 에코시스템에 대한 보다 자세한 정보는 http://www.xilinx.com/alliance/featured-solution-partners/solutions-by-megatrend.html에서 확인할 수 있다.